JP5593239B2 - ウォータージェットピーニング方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、ウォータージェットピーニング方法及びその装置に係り、特に、原子炉内の構造物表面の耐食性を改善したり、構造物の引張残留応力を圧縮残留応力に改善するのに好適なウォータージェットピーニング方法及びその装置に関する。

原子炉の構成部材の溶接部及び熱影響部などの表面近傍に残留応力が存在する場合には、この溶接部及びこれの熱影響部などにウォータージェットピーニング（以下、ＷＪＰと称する）を施工して構成部材の表面付近に存在する引張残留応力を圧縮残留応力に改善することが行われている。ＷＪＰは、残留応力を改善する構成部材を水中に浸漬させた状態で、水中でノズルから高圧の水流を噴射して行われる。噴射された水流に含まれる気泡が崩壊することによって衝撃波が生じる。この衝撃波が水中の構成部材の表面に衝突することによって、その構成部材の表面付近の引張残留応力が圧縮残留応力に改善される。このため、構成部材における応力腐食割れ（ＳＣＣ）の発生が抑制される。ＷＪＰによる応力改善方法は、例えば、特許第２８４１９６３号公報，特許第３５３０００５号公報，特開平８−７１９１９号公報及び特開平６−４７６６８号公報に記載されている。

構成部材に対するＷＪＰの施工において、ＷＪＰの施工状態を確認する方法が、特開平８−７１９１９号公報及び特開平６−４７６６８号公報に提案されている。

特開平８−７１９１９号公報では、原子炉圧力容器の底部に取り付けられてこの底部を貫通している導管にＷＪＰを施工している。このＷＪＰの施工は、その導管の、原子炉圧力容器内の部分に対して行われる。その導管のＷＪＰ施工対象部付近で水中に存在するノズルから高圧の水流が噴射され、水流に含まれる気泡が潰れることによって発生する衝撃波が、原子炉圧力容器内で導管の表面に衝突する。原子炉圧力容器の外側でその導管の外面に取り付けられているＡＥセンサ（アコースティック・エミッション）が、ＷＪＰ施工時において、導管の、原子炉圧力容器内の部分に衝撃波が衝突したときに発生する音響信号を検出してＡＥ信号（音響パワー）を出力する。このＡＥ信号に基づいて、ＷＪＰを施した導管に対して残留応力が十分に改善されたか否かを確認する。残留応力が十分改善されていない場合には、噴射される水流の噴射条件（噴射圧力）の制御、及びノズル位置の調節を行う。

特開平６−４７６６８号公報は、ＷＪＰの施工時において高圧高速の水流を噴射するノズルの噴射口近傍でノズルに、圧電セラミック（ＰＺＴ）センサを設置することを記載している。ノズルから高圧の水流が噴射されているとき、ＰＺＴセンサはノズルに生じる衝撃パルス（キャビテーション発生イベント）を検知する。検知された衝撃パルスに基づいてＰＺＴセンサから出力された信号の周波数分布が、周波数解析装置で解析される。周波数分布の解析結果を入力する判定装置が、その周波数分布から得られた卓越周波数及びこの振幅とこれらの設定値との比較結果に基づいて、制御信号を出力する。卓越周波数に基づいてノズルとＷＪＰ施工対象物の表面との距離が調節され、卓越周波数の振幅に基づいてノズルに水を供給するポンプの吐出圧力が調節される。

特許第２８４１９６３号公報 特許第３５３０００５号公報 特開平８−７１９１９号公報 特開平６−４７６６８号公報

ＷＪＰ施工中では、気泡崩壊時に衝撃波が発生するので、施工対象物への応力改善効果が期待できる。ただし、施工対象物に溶接部がある場合、引張応力が残留しているのは溶接線と熱影響部がほとんどであるため、ＷＪＰの施工範囲も溶接線と熱影響部に限定する場合が多い。ＷＪＰ噴射時の有効幅が溶接線と熱影響部の幅より十分大きいことが判っている場合には、噴射ノズルを溶接線と同じ方向に１軸走査することになる。この場合には、ノズルの走査範囲はＷＪＰの有効幅に依存しないので、ＷＪＰ施工中に有効幅を評価したいというニーズはあまり大きくない。一方、ＷＪＰで気泡が崩壊するときには、気泡内部からＯＨラジカルやＯ原子等の水分子（Ｈ₂Ｏ）の分解物が放出される場合があるので、施工対象物表面の耐食性を改善できる可能性がある。このような場合には、ＷＪＰの施工範囲は溶接部や熱影響部に限定されず、施工対象物の表面全面、或いは、表面の広範囲に亘る。全面施工の場合には噴射ノズルを２軸で走査することになり、施工抜けや多重施工を回避しながら、なるべく短い時間で全面施工を完了するためには、ＷＪＰの有効幅を施工中に把握することが重要となる。

このような観点から従来技術を考えてみると、特開平８−７１９１９号公報に記載されたＷＪＰでは、ＷＪＰ施工時に、導管の、原子炉圧力容器内の部分に衝撃波が衝突したときに発生する音響信号（弾性波）を、原子炉圧力容器の外側で導管の外面に取り付けられたＡＥセンサで検出している。しかしながら、このＡＥセンサは、気泡崩壊による衝撃波が圧力容器表面のどこか不特定な場所に衝撃力を与えたために、圧力容器表面で発生した弾性波を導管経由で検出していることになるので、ＷＪＰの施工効果があることは確認できるが、施工効果のある有効範囲が圧力容器表面のどこからどこまでの範囲であるのかを評価することはできない。言い方を変えれば、溶接線と熱影響部のような、狭い範囲をＷＪＰ施工する場合には、施工の有効性を確認することが重要であり、施工の有効範囲（有効幅／有効面積）の評価への重要性は必ずしも高くなかったので、目的の対象外になっているものと推察する。

また、特開平６−４７６６８号公報に記載されたＷＪＰでは、ＰＺＴセンサをＷＪＰの施工に用いるノズルに取り付けており、このＰＺＴセンサによって、噴流中の気泡が崩壊する際の衝撃波を計測評価する。ＷＪＰの施工効果があることは確認できるが、施工の有効範囲の評価ができない点は、特開平８−７１９１９号公報に記載された技術と同様である。

本発明の目的は、ＷＪＰで施工対象物の表面全面、或いは、表面の広範囲に施工する場合に、施工抜けや多重施工を回避しながら、なるべく短い時間で施工を完了するために、ＷＪＰの有効幅を施工中に計測評価する方法と装置を提供することにある。

上記した目的を達成する本発明の特徴は、ノズルから水中に噴射された噴流に含まれた気泡が崩壊して発生する衝撃波を、水中に配置された複数の衝撃波検出装置によって検出し、ある衝撃波検出装置と他の衝撃波検出装置との、衝撃波の検出時間の差に基づいて、衝撃波の発生位置を求め、衝撃波の発生位置に基づいて、ＷＪＰ施工対象物の表面と同じ方向に設定された複数の区間ごとに衝撃波の発生頻度を求めることにある。

ＷＪＰ施工対象物の表面と同じ方向に設定された複数の区間ごとに衝撃波の発生頻度を求めるので、ＷＪＰ施工対象物の表面と同じ方向においてどの区間からどの区間まで衝撃波が発生しているかを把握することができる。このため、施工中にＷＪＰの有効幅を把握することができる。

本発明によれば、ＷＪＰで施工対象物の表面全面、或いは、表面の広範囲に施工する場合に、施工抜けや多重施工を回避しながら、施工時間を短縮できる。

本発明の好適な一実施例である実施例１のＷＪＰ方法に用いられるＷＪＰ装置の構成図である。 図１に示すＷＪＰ装置を用いた場合の制御及び判定手順を示すフローチャートであり、ＷＪＰをスタートしてから検索したスタンドオフとなるようにノズルをＺ軸方向に移動するまでの流れを示すフローチャートである。 図１に示すＷＪＰ装置を用いた場合の制御及び判定手順を示すフローチャートであり、図２（１）の後、ノズルのＸ方向走査を開始してからＷＪＰ終了まで流れを示すフローチャートである。 ２個のＡＥセンサを用いた衝撃波の検出概念の説明図であり、（Ａ）は衝撃波を検出する２個のＡＥセンサの配置例を示す説明図、（Ｂ）２個のＡＥセンサを配置した場合における、衝撃波の伝播経路の１次元近似モデルの説明図である。 ３個のＡＥセンサを用いた衝撃波の検出概念の説明図であり、（Ａ）は衝撃波を検出する３個のＡＥセンサの配置例を示す説明図、（Ｂ）３個のＡＥセンサを配置した場合における、衝撃波の伝播経路の１次元近似モデルの説明図である。 図１に示す表示装置に表示された表示情報の一例を示す説明図である。 図１に噴射ノズルの２軸走査方法を示す説明図である。 本発明の他の実施例である実施例２のＷＪＰ方法に用いられるウォータージェットピーニング装置の構成図である。 図７に示す３個のＡＥセンサで検出された衝撃波の波形を示す説明図である。 図８に示す各衝撃波の波形の拡大図である。 本発明の他の実施例である実施例３のＷＪＰ方法に用いられるＷＪＰ装置の構成図である。 図１０に示すＷＪＰ装置のターンテーブル付近の斜視図である。 図１０に示すＷＪＰ装置のノズルが設けられる移動装置の拡大図である。 ノズルから噴射された水流内での気泡の形態を模式的に示す説明図である。 衝撃波の発生位置に基づく、Ｙ軸方向の位置と衝撃波の発生頻度の関係を示すグラフであり、（Ａ）は噴射ノズル６と施工対象物２のＺ軸方向の距離が比較的大きいときのＹ軸方向の衝撃波発生頻度分布、（Ｂ）は噴射ノズル６と施工対象物２のＺ軸方向の距離が比較的小さいときのＹ軸方向の衝撃波発生頻度分布を示す。

ＷＪＰでは水中に存在する施工対象物に向けて高圧噴流水を噴射する。水中に噴流を噴射したときに、気泡が発生・崩壊するキャビテーションと呼ばれる現象が起こる。気泡崩壊の直前で気泡が収縮したときに、気泡内部は高温高圧となる。このため、気泡が崩壊した瞬間に衝撃波が発生すると同時に、高温高圧環境下で生成したＯＨラジカルやＯ原子等の水分子の分解生成物が水中および施工対象物表面に向けて放出される。噴流が施工対象物を直射するときの加振力だけでなく衝撃波の加振力によっても残留応力が改善できると同時に、水の分解生成物の酸化力によって施工対象物表面の耐食性を改善する効果も期待できる。

噴射された噴流内で気泡が発生してから潰れるまでの状態を、図１３に模式的に示している。水３内に配置されたノズル６にポンプ（図示せず）から高圧水３８が供給される。
高圧水３８がノズル６の噴射口３７から水中に噴射されたとき、水中に微小な気泡が多数発生して塊状となったキャビテーションクラウド３９が発生する。発生した複数のキャビテーションクラウド３９内で、一つ、または、数個の気泡が崩壊するとき、衝撃波と水の分解生成物が放出される。気泡が崩壊して衝撃波が発生するとき、その気泡の周囲に存在する多数の気泡が衝撃波によって押し流される。このため、押し流される気泡群が連なっている渦糸キャビテーション４０が形成される。さらには、気泡が押し流されてしまったために気泡が消滅したかのように見えるスポット４１が観察される。図１３において、４２は小さな気泡が合体して径が大きくなった気泡である。なお、図１３においては、図中に施工対象物が存在せず、水中に自由噴流を噴出した状況を示している。噴流が施工対象物にぶつかる場合には、キャビテーションクラウド３９等は噴流中心から離れる方向に広がるので、気泡崩壊発生位置の分布は、施工対象物表面と平行方向へ広がる可能性がある。

施工対象物への応力改善効果や耐食性向上効果は、噴流中に気泡が存在することではなく、気泡が崩壊することによってもたらされ、気泡崩壊位置と施工対象物表面の距離が近いほど効果が大きい。本発明者らは、これらのＷＪＰ施工効果が、噴流中の気泡の数によってではなく、単位時間当たりの気泡の崩壊数（気泡の崩壊頻度）、すなわち、単位時間当たりの衝撃波の発生数（衝撃波の発生頻度）によって確認できることを見出した。

また、本発明者らは、施工対象物表面でＷＪＰ施工効果が得られる有効範囲と、気泡崩壊発生範囲（＝衝撃波発生範囲）が概ね一致するので、施工対象物表面と平行方向の位置（噴流中心からの距離）毎の衝撃波の発生分布を求めることによって、施工対象物表面でのＷＪＰ有効範囲を精度良く把握することができることも、見出した。本発明は、これらの知見に基づいて成されたのである。

これらの知見に基づいて成された本発明の概念を、図３に示す一つの具体例を用いて説明する。ノズル６及び支持部材１７がノズル走査装置１０に取り付けられ、２個のＡＥセンサ（衝撃波検出装置）１４Ａ，１４Ｂが施工対象物２の表面と平行方向に間隔を置いて設置される（図３（Ａ）参照）。ノズル６及びＡＥセンサ１４Ａ，１４Ｂが水中に配置され、ＷＪＰ施工対象物２も水中に配置される。ノズル６が施工対象物２の、ＷＪＰを施工する表面に対向している。ＡＥセンサ１４Ａ，１４Ｂが施工対象物２の表面近くで、ノズル６から噴射する噴流中心から少し離れた位置に配置される。ＡＥセンサ１４Ａ，１４Ｂはそれぞれ支持材１６Ａ，１６Ｂに取り付けられており、ノズル６の走査に追随して移動する構成としている。衝撃波検出装置としては、ＡＥセンサ以外に圧力センサ，加速度センサ，水中マイクロホンを用いてもよい。

ノズル６から噴射された高圧の水流３４に含まれた気泡３５が潰れたとき、衝撃波３６が発生する。この衝撃波３６は、ＡＥセンサ１４Ａ，１４Ｂでそれぞれ衝撃波を検出して衝撃波検出信号を出力する。

衝撃波３６の水中での伝播速度をＶ（ｍ／ｓ）、音源の位置（気泡３５が潰れた位置、すなわち、衝撃波３６の発生位置）に近い位置に存在するセンサ（例えば、ＡＥセンサ１４Ｂ）のＹ軸方向の座標値をｙ１（ｍ）（図３（Ｂ）参照）、音源の位置から遠い位置に存在するセンサ（例えば、ＡＥセンサ１４Ａ）のＹ軸方向の座標値をｙ２（ｍ）、近い位置に存在するＡＥセンサへの衝撃波の伝播時間をｔ（ｓ）、遠い位置に存在するＡＥセンサにおける衝撃波の検出時間と近い位置に存在するＡＥセンサにおける衝撃波の検出時間の時間差をＴ１（ｓ）とする。Ｙ軸方向における衝撃波伝播経路の１次元近似モデルは、図３（Ｂ）のように図示することができ、音源から各衝撃波検出装置、例えば、ＡＥセンサ１４Ｂ，１４Ａまでの衝撃波の伝播時間は（１）式及び（２）式で表される。

Ｖ×ｔ＝（ｙ１−ｙ０） ……（１）
Ｖ×（ｔ＋Ｔ１）＝（ｙ０−ｙ２） ……（２）
ｔ（ｓ）は実際には測定することができず、測定できるのは時間差Ｔ１（ｓ）である。水中での衝撃波の伝播速度Ｖ（ｍ／ｓ）が既知である（例えば、水中音速１５００（ｍ／ｓ））場合には、音源のＹ軸方向の座標値（音源のＹ軸方向位置）ｙ０（ｍ）は、衝撃波の発生位置であり、（３）式により算出できる。

ｙ０＝（ｙ１＋ｙ２）／２−Ｖ×Ｔ１／２ ……（３）
衝撃波の水中での伝播速度Ｖ（ｍ／ｓ）（水中での音速）が未知である場合には、３個の衝撃波検出装置、例えば、ＡＥセンサ１４Ａ，１４Ｂ及び１４Ｃを設けることによって、衝撃波の発生位置を特定することができる。この場合における衝撃波の発生位置の評定を、図５を用いて説明する。支持部材１７Ａと支持部材１６ＣでＡＥセンサ１４Ｃをノズル走査装置１０に取り付けている（図４（Ａ）参照）。ＡＥセンサ１４Ｃは、水中に配置され、ＡＥセンサ１４ＡとＡＥセンサ１４Ｂを結んだ延長線上であって、ＡＥセンサ１４Ｂよりも噴流中心から離れた位置に配置される。ＡＥセンサ１４Ａ，１４Ｂ及び１４Ｃは、実質的にＹ軸と平行に一直線上に配置される。Ｙ軸方向における座標値ｙ１，ｙ２及びｙ３は、Ｙ軸方向の座標位置を表している。

気泡３５が潰れて発生した衝撃波３６は、ＡＥセンサ１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃで検出される。衝撃波を最初に検出するセンサ（例えば、ＡＥセンサ１４Ｂ）のＹ軸方向の座標値をｙ１、衝撃波を２番目に検出するセンサ（例えば、ＡＥセンサ１４Ａ）のＹ軸方向の座標値をｙ２、衝撃波を３番目に検出するセンサ（例えば、ＡＥセンサ１４Ｃ）のＹ軸方向の座標値をｙ３とする（図４（Ｂ）参照）。衝撃波の音速をＶｙ（ｍ／ｓ）、音源で発生した衝撃波が一番近いセンサで検出される時間をｔ（ｓ）、音源の位置から２番目に近いセンサにおける衝撃波の検出時間と一番近いセンサにおける衝撃波の検出時間の時間差をＴ１（ｓ）、音源の位置から最も遠いセンサにおける衝撃波の検出時間と一番近いセンサにおける衝撃波の検出時間の時間差をＴ２［ｓ］とする。このときのＹ軸方向における衝撃波伝播経路の１次元近似モデルは図４（Ｂ）のように表すことができ、音源から各衝撃波検出装置、すなわち、ＡＥセンサ１４Ｂ，１４Ａ及び１４Ｃまでの衝撃波の伝播時間は（４）式，（５）式及び（６）式で表される。

Ｖｚ×ｔ＝（ｙ１−ｙ０） ……（４）
Ｖｚ×（ｔ＋Ｔ１）＝（ｙ０−ｙ２） ……（５）
Ｖｚ×（ｔ＋Ｔ２）＝（ｙ３−ｙ０） ……（６）
ｔ（ｓ）は実際には測定できず、測定できるのは時間差Ｔ１（ｓ），Ｔ２（ｓ）である。音源位置ｙ０（ｍ）及びＹ軸方向に投影した衝撃波の伝播速度Ｖｙ［ｍ／ｓ］は、（７）式及び（８）式に基づいて算出することができる。

ｙ０＝｛ｙ１＋ｙ２−（ｙ３−ｙ１）×Ｔ１／Ｔ２）｝／２ ……（７）
Ｖｙ＝（ｙ３−ｙ１）／Ｔ２ ……（８）
以上のようにして、Ｙ軸方向の音源位置、すなわち、衝撃波の発生位置を求めることによって、ＷＪＰ施工対象物２の表面と平行な方向における各位置での単位時間当たりの衝撃波の発生数（衝撃波の発生頻度）を求めることができる。例えば、構成部材２の表面に垂直な方向で、ＡＥセンサ１４ＡとＡＥセンサ１４ＢのＹ軸座標位置を所定幅で複数の区間に分割し、これらの区間ごとに衝撃波の発生頻度を求める。

図１４（Ａ）,（Ｂ）は、いずれも、求められた衝撃波の発生位置に基づいて、Ｙ軸方向の位置と衝撃波の発生頻度の関係を整理したものである。図１４（Ａ）は噴射ノズル６と施工対象物２のＺ軸方向の距離（以下、スタンドオフ、または、Ｓ.Ｏ.と称す）が比較的大きいとき、図１４（Ｂ）はスタンドオフが比較的小さいときの、Ｙ軸方向の衝撃波発生頻度分布を示している。棒グラフ５５Ａ，５５Ｂで示すのは、計測評価した発生頻度分布であり、線グラフ５６Ａ，５６Ｂで示すのは正規分布を仮定してフィッティングした関数である。また、フィッティングした関数に上限値と下限値を決めると（例えば、下限値２.５％〜上限値９７.５％を有効範囲とする）、Ｙ軸方向のＷＪＰ有効範囲（ＷＪＰの有効幅）を算出することもできる。図１４では、ある噴射条件でスタンドオフを変更したときに、ＷＪＰの有効幅が変化することを計測評価できることを示している。

本発明の実施例を以下に説明する。

本発明の好適な一実施例である実施例１のウォータージェットピーニング方法を、図１，図２，図５，図６を用いて説明する。

本実施例のウォータージェットピーニング方法を説明する前に、本実施例に用いるウォータージェットピーニング装置（以下、ＷＪＰ装置という）１を、図１を用いて説明する。ＷＪＰ装置１は、ノズル６，高圧ポンプ５，ノズル走査装置１０，ＡＥセンサ（衝撃波検出装置）１４Ａ，１４Ｂ，信号処理装置２０，ノズル走査制御装置３１及びポンプ制御装置３０を備えている。

ノズル走査装置１０は、Ｘ軸走査機構（Ｘ軸移動装置）１１，Ｙ軸走査機構（Ｙ軸移動装置）１２，Ｚ軸走査機構（Ｚ軸移動装置）１３を有し、噴射ノズル６を把持し、水槽４内の水３の中でノズル６を走査する。また、給水ホース７が水槽４の底部付近に取り付けられ、高圧ポンプ５に接続される。高圧ホース９が、高圧ポンプ５及びノズル６に接続される。

信号処理装置２０は、Ａ／Ｄ変換器２１，衝撃波信号抽出部２２，全衝撃波の発生頻度算出部２３，時間差算出部２４，発生位置算出部２５，頻度分布算出部２６，有効幅算出部２７及び記録・指示情報作成部２８を有する。衝撃波信号抽出部２２がＡ／Ｄ変換器２１に接続される。全衝撃波の発生頻度算出部２３、および、時間差算出部２４と発生位置算出部２５と頻度分布算出部２６と有効幅算出部２７からなる一連の演算部がＡ／Ｄ変換器２１に接続される。記録・指示情報作成部２８には、Ａ／Ｄ変換器２１，衝撃波信号抽出部２２，有効幅算出部２７及び表示装置２９が接続される。

衝撃波検出装置であるＡＥセンサ１４Ａ，１４Ｂが、ノズル走査装置１０に取り付けられて水槽４内の水３の中に設置されている。ＡＥセンサ１４Ａ，１４Ｂは、施工対象物２の表面近傍で、Ｙ軸と平行で噴流中心を通る直線状に取り付けられる。増幅器１５Ａ，１５Ｂがノズル走査装置１０に取り付けられている。ＡＥセンサ１４Ａが増幅器１５Ａに接続され、ＡＥセンサ１４Ｂが増幅器１５Ｂに接続される。増幅器１５Ａ，１５ＢがＡ／Ｄ変換器２１に接続される。

ノズル走査制御装置３１がノズル走査装置１０に接続され、Ｘ軸走査機構１１，Ｙ軸走査機構１２，Ｚ軸走査機構１３を制御する。ポンプ制御装置３０が高圧ポンプ５に接続される。高圧ホース９に取り付けられた圧力計３３及び流量計３２がポンプ制御装置３０に接続される。ポンプ制御装置３０及びノズル走査制御装置３１が信号処理装置２０に接続される。

ＷＪＰ装置１を用いて行う本実施例のウォータージェットピーニング方法を、説明する。本実施例のウォータージェットピーニング方法では、図２に示す各ステップの操作または処理が実施される。

水槽４内に水３が充填され、ＷＪＰ施工対象物２が、水槽４内の水３の中に設置される。この施工対象物２は、プラント、例えば、建設される原子力プラントに設置される構成部材である。あるいは、施工対象物２は運転を経験した原子力プラントの構成部材であって、プラントの管理区域内に位置する、水が満たされた原子炉圧力容器またはプール内に、図１の設備を構成してＷＪＰ施工してもよい。図１では、施工対象物２は模式的に簡略化した形状で示されている。

ＷＪＰ施工をする際には、まず、ノズル６をＸ軸・Ｙ軸について固定した状態の定点打ちで適切な噴射条件を探索し、噴射条件が定まってからノズル６をＸ軸方向とＹ軸方向に矩形走査する。

最初に、オペレータがＷＪＰによる全衝撃波の発生頻度の目標値を決定し（ステップＳ１１）、この全衝撃波の発生頻度の目標値を操作盤に入力する。記録・指示情報作成部２８が、全衝撃波の発生頻度の目標値に基づいて高圧ポンプ５からノズル６への水の供給圧力条件を探索するための上限値・下限値・探索ピッチを決定し（ステップＳ１２）、スタンドオフを探索するための上限値・下限値・探索ピッチを決定する（ステップＳ１３）。
ノズル６の位置情報は、Ｘ方向，Ｙ方向、及びＺ方向（上下方向）の各座標で示される。
ノズル走査制御装置３１は、予め入力されている初期位置情報に基づいてＸ軸走査機構１１及びＹ軸走査機構１２を駆動する。つまり、ノズル６の先端が、Ｘ軸走査機構１１の移動によってＸ座標が初期位置情報のＸ座標値に移動され、Ｙ軸走査機構１２の移動によってＹ座標が初期位置情報のＹ座標値に移動されて位置決めされる（ステップ１４）。また、Ｚ方向の座標値によって、ノズル６と施工対象物２との間の距離、すなわち、スタンドオフが、探索条件の上限値となるように設定される（ステップＳ１４）。

ノズル６が初期位置に設定された後、高圧ポンプ５を起動し、探索条件の下限値となる圧力で噴流を噴射する（ステップＳ１５）。高圧ポンプ５の起動によって水槽４内の水３が給水ホース７を通して高圧ポンプ５に導かれる。ポンプ制御装置３０は、圧力計３３の計測値に基づいて、高圧ポンプ５から吐出される水の圧力を制御する。また、供給水の圧力を定めれば、高圧ホース９やノズル６に応じた適正範囲の値をとるはずであるが、流量計３２の計測値が適正範囲から逸脱していた場合には、ＷＪＰ装置１内のどこかに不具合があるはずなので、一旦、噴射を停止して装置をチェックする。

高圧ポンプ５から吐出された水３は、初期値の圧力及び流量で、高圧ホース９を通してノズル６に供給され、ノズル６から高圧の水流３４となって水槽４内の水中に噴射される。噴射された水流３４内の気泡３５が水中で潰れることにより衝撃波３６が発生する。この衝撃波３６は、施工対象物２に衝突すると共に、ＡＥセンサ１４Ａ，１４Ｂによって検出される。

衝撃波３６を検出したＡＥセンサ１４Ａ，１４Ｂから出力された各衝撃波検出信号が、増幅器１５Ａ，１５Ｂで増幅された後、Ａ／Ｄ変換器２１に入力される。Ａ／Ｄ変換器２１は、アナログ信号である各衝撃波検出信号をデジタル信号に変換し、衝撃波信号抽出部２２及び記録・指示情報作成部２８に出力する。記録・指示情報作成部２８は、各衝撃波検出信号に基づいてＡＥセンサ１４Ａ，１４Ｂごとの衝撃波検出信号表示情報を作成する。これらの衝撃波検出信号表示情報が表示装置２９の表示枠５１に表示される（図５参照）。図５において、「１４Ａ」がＡＥセンサ１４Ａから出力された衝撃波検出信号を、「１４Ｂ」がＡＥセンサ１４Ｂから出力された衝撃波検出信号を示している。これらの衝撃波検出信号において、不定期に発生している波高の大きい鋭い波形が、気泡３５が潰れた際に発生した衝撃波３６を表している。記録・指示情報作成部２８は、Ａ／Ｄ変換器２１から出力された各衝撃波検出信号を記憶する。

衝撃波信号抽出部２２は、Ａ／Ｄ変換された信号から衝撃波信号を抽出する。全衝撃波の発生頻度算出部２３は、単位時間当たりの衝撃波発生頻度を算出する。記録・指示情報作成部２８は、ステップＳ１１で入力した全衝撃波の目標発生頻度を図５の目標値枠５３に表示し、全衝撃波の発生頻度算出部２３の算出値を測定値枠５４に表示するための情報を作成・記録する（ステップＳ１６）。

供給水の圧力がステップＳ１２で決定した圧力探索の上限値に達していない場合には（ステップＳ１７）、圧力を１探索ピッチ分だけ増大させて（ステップＳ１８）、全衝撃波の発生頻度を繰り返し計測・算出する。圧力探索の上限値までの発生頻度算出結果を記録できたら、目標発生頻度を達成するものの中で最低の圧力を検索し（ステップＳ１９）、検索した圧力の値に共有圧力を設定する（ステップＳ２０）。

時間差算出部２４は、衝撃波信号抽出部２２で抽出された衝撃波信号のＡＥセンサ１４Ａと１４Ｂのそれぞれの検出時間と、それらの時間差Ｔ１を算出する。発生位置算出部２５は、（３）式に、その時間差Ｔ１、ＡＥセンサ１４ＡのＺ方向の座標値ｙ１（ｍ）、ＡＥセンサ１４ＢのＺ方向の座標値ｙ２（ｍ）及び水中での衝撃波の伝播速度Ｖ（ｍ／ｓ）（例えば、水中音速１５００（ｍ／ｓ）を代入して、衝撃波の発生位置ｚ０を算出する。
衝撃波の発生位置は、発生した全ての衝撃波に対して求められる。頻度分布算出部２６は施工対象物２の表面と平行な方向で、ＡＥセンサ１４Ａから１４Ｂまでの間を所定幅で分割して設定されたそれぞれの位置（区間）毎に、発生位置算出部２５で算出した各衝撃波の発生位置情報を用いて、衝撃波の発生数をそれぞれカウントする。

有効幅算出部２７は、頻度分布算出部２６の算出結果を正規分布関数でフィッティングし、フィッティングした関数の一定の範囲（例えば、確率密度が２.５％から９７.５％の範囲）のＹ軸方向の長さをＷＪＰの有効幅として算出する。記録・指示情報作成部２８は、頻度分布算出部２６で算出した施工対象物２の表面に平行な方向でのそれぞれの位置毎の衝撃波発生頻度５５と、有効幅算出部２７で算出したフィッティング関数５６とＷＪＰ有効幅５７を表示するための情報を作成・記録する（ステップＳ２１）。

スタンドオフ（Ｓ.Ｏ.）の値がステップＳ１３で決定したスタンドオフ探索の上限値に達していない場合には（ステップＳ２２）、スタンドオフを１探索ピッチ分だけ増大させて（ステップＳ２３）、ＷＪＰ有効幅全を繰り返し計測・算出する。スタンドオフ探索の上限値までのＷＪＰ有効幅を記録できたら、有効幅が最大となるスタンドオフを検索し（ステップＳ２４）、検索したスタンドオフの値となるようにノズルをＺ軸方向に移動させる（ステップＳ２５）。

供給圧力とスタンドオフの設定が完了したら、図６の矩形走査パターン１８に示す経路で施工対象物２の表面と平行な方向へのノズル走査を開始する。まず、Ｘ軸方向のノズル走査を開始する（ステップＳ３１）。ノズルの走査中に、衝撃波の発生位置分布を計測し、ＷＪＰ有効幅を算出し（ステップＳ３２）、ノズルのＹ軸方向の走査ピッチを設定しておく（ステップＳ３６）。ノズルがＸ軸方向の走査終了位置に到達したら（ステップＳ３３）、ノズルのＸ軸方向の走査を停止する（ステップＳ３４）。Ｙ軸方向への走査を開始し（ステップＳ３７）、ステップＳ３６で設定しておいたＹ軸方向の走査ピッチの終了位置にノズルが到達したら（ステップＳ３８）、ノズルのＹ軸方向への走査を停止する（ステップＳ３９）。このような矩形走査を繰り返し、ノズルがＹ軸方向の走査終了位置に到達したら（ステップＳ３５）、高圧ポンプ５を停止し、ＷＪＰ施工が完了する。

本実施例は、ノズル６をＸ軸方向に走査しているときに、施工抜けが無く、最大のＹ軸方向への走査ピッチで施工対象物２の施工範囲全面をＷＪＰ施工できるので、ノズルの走査距離とＷＪＰ施工時間を最小化できる。

本実施例は、ノズルを施工対象物と平行な方向に走査する前に、衝撃波発生頻度に基づいてＷＪＰ有効性を精度良く確認することができるので、ノズル６に高圧水を供給する高圧ポンプ５を稼動するためのエネルギーを小さくすることができる。また、ＷＪＰ有効幅を最大化するスタンドオフ距離を探索するので、Ｙ軸方向への走査ピッチを大きくでき、ノズルの走査距離とＷＪＰ施工時間を最小化できる。

本発明の他の実施例である実施例２のウォータージェットピーニング方法を、図７，図８及び図９を用いて説明する。

本実施例のウォータージェットピーニング方法を説明する前に、本実施例に用いるＷＪＰ装置１Ａを、図７を用いて説明する。ＷＪＰ装置１Ａにおいて、ＷＪＰ装置１と異なる構成について説明する。ＷＪＰ装置１Ａは、衝撃波検出器として３つのＡＥセンサ１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃを備えており、支持部材１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ、増幅器１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃも３つのＡＥセンサに対応している。また、水槽４とは別に、高圧ポンプ５へ供給する水３Ｂを保有する供給水槽１９を備えている。供給水槽１９、および、水槽４Ａには、図示していないヒータが取り付けられており、水３Ａ，３Ｂの温度を制御できるようになっている。

本実施例において、実施例１と異なるステップについて説明する。本実施例のＷＪＰ方法では、３つの衝撃波検出器を備えている。衝撃波３６を検出したＡＥセンサ１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃから出力された各衝撃波検出信号が、増幅器１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃで増幅された後、Ａ／Ｄ変換器２１に入力される。Ａ／Ｄ変換器２１は、アナログ信号である各衝撃波検出信号をデジタル信号に変換し、衝撃波信号抽出部２２及び記録・指示情報作成部２８に出力する。記録・指示情報作成部２８は、各衝撃波検出信号に基づいてＡＥセンサ１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃの衝撃波検出信号表示情報を作成する。収録した衝撃波信号の表示例を図８に示す。不定期に発生している鋭く短い信号が衝撃波信号である。収録信号の時間軸を拡大した表示例を図９に示す。ＡＥセンサ１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃで受信した信号に時間差があることを確認できる。図２に記載したステップＳ２１、および、ステップＳ３２において、本実施例では、以下のようにして衝撃波の発生位置を算出する。衝撃波信号の受信順序がＡＥセンサ１４Ｂ，１４Ａ，１４Ｃであった場合には、１４Ｂと１４Ａの時間差Ｔ１、１４Ｂと１４Ｃの時間差Ｔ２を算出する。（７）式に、その時間差Ｔ１，Ｔ２、ＡＥセンサ１４ＢのＺ方向の座標値ｙ２（ｍ）、ＡＥセンサ１４ＡのＺ方向の座標値ｙ１（ｍ）、ＡＥセンサ１４ＣのＺ方向の座標値ｙ３（ｍ）、を代入して衝撃波の発生位置ｚ０を算出する。また、本実施例において必須のステップではないが、衝撃波の伝播速度を知りたい場合には、上記の数値を（８）式に代入して、Ｙ軸方向に投影した衝撃波の伝播速度Ｖｙを算出することもできる。

本実施例では、衝撃波の伝播速度が未知な場合でも衝撃波の発生位置を算出できるので、温度等の影響で水の音速が変化する可能性がある場合においても、実施例１と同様に、ノズルの走査中にＷＪＰ有効幅を算出し、ノズルの走査距離とＷＪＰ施工時間を最小化できる。

本発明の他の実施例である実施例３のウォータージェットピーニング方法を、図１０，図１１及び図１２を用いて説明する。本実施例のＷＪＰ方法は、例えば、沸騰水型原子力プラントの原子炉圧力容器内に設置された炉内構造物を対象に実施される。この炉内構造物は、例えば、炉心シュラウドである。

沸騰水型原子力プラントの原子炉付近の構造を、図１０を用いて説明する。沸騰水型原子力プラントの原子炉７５は、原子炉圧力容器（以下、ＲＰＶという）７６，炉心シュラウド７７，炉心支持板７９，上部格子板８０及びジェットポンプ８１を備えている。炉心シュラウド７７，炉心支持板７９，上部格子板８０及びジェットポンプ８１は、ＲＰＶ７６内に設置される。炉心を取り囲む炉心シュラウド７７内には、炉心の下端に位置する炉心支持板７９が設置され、炉心の上端に位置する上部格子板８０が設置される。複数のジェットポンプ８１が、ＲＰＶ７６と炉心シュラウド７７の間に形成される環状のダウンカマ８２内に配置される。

本実施例のウォータージェットピーニング方法に用いられるＷＪＰ装置１Ｂは、実施例１で用いられるＷＪＰ装置１においてノズル走査装置１０をノズル走査装置１０Ａに替えた構成を有する。ＷＪＰ装置１Ｂの他の構成はＷＪＰ装置１と同じである。

ノズル走査装置１０Ａについて説明する。ノズル走査装置１０Ａは、図１０，図１１及び図１２に示すように、移動装置５８Ａ，５８Ｂ、ポスト部材６２，昇降体６３及びターンテーブル６５を有する。ターンテーブル６５が、炉心シュラウド７７の上部フランジ７８の上面に設置された環状のガイドレール６６に旋回可能に設置される。ターンテーブル６５には、ガイドレール６６の上面に接触する図示されていない複数の車輪が設けられる。少なくとも１つの車輪（図示せず）を回転させるモータ（図示せず）がターンテーブル６５に設けられる。移動装置５８Ａ，５８Ｂがターンテーブル６５上に設置される。

同じ構成を有する移動装置５８Ａ，５８Ｂを、移動装置５８Ａを例にとって説明する。
移動装置５８Ａは、図１２に示すように、装置本体５９，２本のアーム６０及びボールネジ７２を有する。２本のアーム６０が、装置本体５９のケーシングを貫通しており、スライド可能にそのケーシングに取り付けられる。２本のアーム６０の両端部が連結部材６１Ａ，６１Ｂによって連結されている。装置本体５９のケーシングを貫通するボールネジ７２が、回転可能に連結部材６１Ａ，６１Ｂに取り付けられる。装置本体５９のケーシング内には、図示されていないが、モータが設置され、このモータの回転軸に取り付けられた歯車（図示せず）が、ボールネジ７２に噛み合う歯車（図示せず）と噛み合っている。このモータの駆動によってそれらの歯車が回転し、ボールネジ７２がＲＰＶ７６の半径方向に移動する。ＲＰＶ７６の軸方向に伸びるポスト部材６２が、連結部材６１Ｂに取り付けられる。昇降体６３が、ポスト部材６２に沿って移動できるように、ポスト部材６２に取り付けられる。昇降体６３を上下動させるモータ６４がポスト部材６２の上端部に設けられる。

ノズル６，ＡＥセンサ１４Ａ，１４Ｂ及び監視カメラ６７が昇降体６３に設置される。

本実施例では、炉心シュラウド７７の上端部の外面に対してＷＪＰが施工される。本実施例では、炉心シュラウド７７がＷＪＰ施工対象物である。沸騰水型原子力プラントの運転が停止された後、ＲＰＶ７６の上蓋が取り外され、ＲＰＶ７６内に設置されている蒸気乾燥器及び気水分離器が取り外されてＲＰＶ７６の外に搬出される。これらの搬出は、ＲＰＶ７６が設置されている原子炉建屋内の天井クレーン（図示せず）を用いて行われる。
これらの取り外し及び搬出作業を行うとき、ＲＰＶ７６の真上に位置する原子炉ウエル６８内に、水３が充填されている。

ガイドレール６６が、その天井クレーンを用いて上部フランジ７８上まで移送され、上部フランジ７８に設置される。移動装置５８Ａ，５８Ｂが設置されたターンテーブル６５が、天井クレーンによって搬送され、ガイドレール６６上に設置される。昇降体６３が取り付けられたポスト部材６２が、ターンテーブル６５の搬送前に、移動装置５８Ａ，５８Ｂのそれぞれに設置されている。ターンテーブル６５がガイドレール６６に設置されたとき、移動装置５８Ａ，５８Ｂのそれぞれに設けられたポスト部材６２が、ダウンカマ８２内に配置される。

高圧ポンプ５が原子炉建屋内の運転床６９の上に置かれ、信号処理装置２０，ノズル走査制御装置３１，ポンプ制御装置３０が設けられる。運転床６９は原子炉ウエル６８を取り囲んでいる。高圧ポンプ５に接続された２本の高圧ホース９が、移動装置５８Ａ，５８Ｂにそれぞれ取り付けられ、移動装置５８Ａに設けられたノズル６及び移動装置５８Ｂに設けられたノズル６に別々に接続されている。

ノズル走査制御装置３１に接続される制御信号線７１が、移動装置５８Ａ，５８Ｂのそれぞれに設けられたモータ６４、装置本体５９のケーシング内に設けられたモータ、及びターンテーブル６５に設けられてターンテーブル６５の車輪を回転させるモータにそれぞれ接続される。それぞれのモータにはエンコーダ（図示せず）が設けられ、各エンコーダは、モータによって移動される部材の移動距離、すなわち、その部材の移動後の位置を検出する。

本実施例のウォータージェットピーニング方法においても、実施例１と同様に、図２に示す各操作または処理等が実行される。炉心シュラウド７７では、周方向と軸方向の２軸についてノズルを走査することにより、炉心シュラウド７７上部の全外周面をＷＪＰで施工する。

例えば、炉心シュラウド７７の周方向が図２のフローチャートのＸ軸に、軸方向が図２のフローチャートのＹ軸に相当する。ステップＳ１１〜Ｓ１３で、ＷＪＰ施工および噴射条件探索に必要な数値を決定する。ステップＳ１４で、移動装置５８Ａ，５８Ｂに設けられた各ノズル６をＷＪＰの開始位置に移動させる。ステップＳ１５で高圧ポンプ５を起動し、ステップＳ１６〜Ｓ２０において最適な供給圧力を探索・設定する。ステップＳ２１〜Ｓ２５においてボールネジ７２を回転操作しながらノズル６のスタンドオフ距離を走査し、最適なスタンドオフ距離を設定する。

ステップＳ３１で周方向のノズル走査を開始し、ステップ３２でノズル走査中に衝撃波の発生位置分布とＷＪＰ幅を算出し、ステップＳ３６でノズルの軸方向の走査ピッチを設定しておく。ステップＳ３４〜３５でノズルが周方向に半周したら周方向の走査を停止し、ステップＳ３７〜Ｓ３９で軸方向の走査ピッチ分までノズルを走査する。上記のような周方向と軸方向のノズル走査を繰り返し、ノズルが炉心シュラウド７７上部の全外周全面を走査したら、高圧ポンプを停止して、ＷＪＰ施工を終了する。

本実施例も、実施例１で生じた各効果を得ることができる。

１，１Ａ，１Ｂ ウォータージェットピーニング装置
４ 水槽
５ 高圧ポンプ
６ ノズル
９ 高圧ホース
１０ ノズル走査装置
１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ ＡＥセンサ
２０ 信号処理装置
２２ 衝撃波信号抽出部
２３ 全衝撃波の発生頻度算出部
２４ 時間差算出部
２５ 発生位置算出部
２６ 頻度分布算出部
２７ 有効幅算出部
２８ 記録・指示情報作成部
２９ 表示装置
３０ ポンプ制御装置
３１ ノズル走査制御装置
３５ 気泡
３６ 衝撃波
６０ アーム
６２ ポスト部材
６３ 昇降体
６５ ターンテーブル
７６ 原子炉圧力容器
７７ 炉心シュラウド

Claims (8)

1. ノズルが存在する水中に、ポンプから供給された水を前記ノズルから噴射し、前記水を噴射している前記ノズルを、前記水中に存在するウォータージェットピーニング施工対象物に沿って走査し、前記ノズルから前記水中に噴射された前記水に含まれた気泡が潰れて発生する衝撃波を、前記ウォータージェットピーニング施工対象物に当て、前記衝撃波を前記水中に配置された複数の衝撃波検出装置によって検出し、ある前記衝撃波検出装置と他の前記衝撃波検出装置との、前記衝撃波の検出時間の差に基づいて、前記衝撃波の発生位置を求め、前記発生位置に基づいて、前記ウォータージェットピーニング施工対象物の表面と平行で前記ノズルの走査方向と垂直に設定された複数の区間ごとに前記衝撃波の発生頻度を求めることを特徴とするウォータージェットピーニング方法。
2. 前記複数の区間ごとの前記衝撃波の前記発生頻度に基づいてウォータージェットピーニングの有効幅の値を求める請求項１に記載のウォータージェットピーニング方法。
3. 前記ノズルを施工対象表面と平行な方向に固定した状態において、気泡が潰れて発生する衝撃波全数の発生頻度が最適となるようにポンプの供給圧を調整し、ウォータージェットピーニングの前記有効幅の値が最適となるように前記施工対象物表面と前記ノズルの間の距離を調整し、前記施工対象物表面と平行な方向にノズルを走査することを特徴とする請求項１に記載のウォータージェットピーニング方法。
4. 前記ポンプの供給圧の調整及び前記施工対象物表面と前記ノズルの間の距離の調整の後、前記施工対象表面と平行な方向に前記ノズルを走査しているときに、ウォータージェットピーニングの前記有効幅の値を求めることを特徴とする請求項３に記載のウォータージェットピーニング方法。
5. 前記施工対象物表面の施工範囲をウォータージェットピーニングで施工する場合に、前記ノズルを前記施工対象物表面に対して矩形走査し、長軸方向の走査中にウォータージェットピーニングの前記有効幅の値を求め、求めた前記有効幅の値に基づいて短軸方向の走査ピッチを決定することを特徴とする請求項２に記載のウォータージェットピーニング方法。
6. 前記ウォータージェットピーニングの施工対象物が、原子炉容器内の構成部材であることを特徴とする請求項１乃至５に記載のウォータージェットピーニング方法。
7. 水中に存在して水を噴射するノズルと、前記ノズルに水を供給するポンプと、前記ノズルを水中で保持・走査する走査装置を備えたウォータージェットピーニング施工装置において、
   前記走査装置に取り付けられた衝撃波検出手段と、前記衝撃波検出装置によって検出した衝撃波信号に基づいて衝撃波の発生位置を求め、ウォータージェットピーニングの施工対象物の表面と平行で前記ノズルの走査方向と垂直に設定された複数の区間ごとに前記衝撃波の発生頻度を算出する手段と、前記ウォータージェットピーニングの有効幅の値を算出する手段と、算出したウォータージェットピーニングの有効幅を表示する手段とを備えたことを特徴とするウォータージェットピーニング装置。
8. 前記走査装置は、前記ノズルを３軸以上の方向に移動させるノズル走査手段であり、
   ノズル走査の目標値に基づいて前記走査装置の移動を制御する制御手段と、前記ポンプへの水の供給圧を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする請求項７に記載のウォータージェットピーニング装置。

Images